专题报道：Pound–Drever–Hall 前馈技术：超越反馈的激光相位噪声抑制

作者: Yu-Xin Chao, Zhen-Xing Hua, Xin-Hui Liang, Zong-Pei Yue, Li You, Meng Khoon Tey
机构: State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics, Department of Physics, Tsinghua University, Beijing, China
期刊: Optica
发表日期: 2024年7月9日
DOI链接: 点击这里

一、研究背景

在过去的几十年中，频率锁定到超稳光学参考腔的窄线宽激光器的出现，开创了引力波探测、光学钟、超低噪声光子微波生成、高保真原子量子比特控制、超冷分子相干合成和暗物质及基本常数变化的搜索等一系列革命性技术的先河。在这一切应用的核心，是一种被称为Pound–Drever–Hall（PDH）技术的频率判别和锁定方法。这种技术将激光与腔共振频率的偏差转换为适合高速反馈的电信号。结合高品质因数的超稳光学腔，PDH反馈技术现已被常规用于实现具有超窄线宽的激光系统。

然而，任何反馈机制固有地引入时间延迟，这限制了其反馈带宽。超过反馈带宽频率的噪声不仅无法得以抑制，反而可能被放大，形成所谓的伺服波峰。光学钟的应用中，解决这一问题的方法通常是使用光腔进行光谱过滤，但这种方法存在功率限制等问题。对于光子微波生成和量子计算中的高保真量子门应用则更为敏感。

为解决这些问题，本研究团队提出了一种新的前馈方法，通过重复利用激光器锁定到腔时的残余PDH信号，并将其前馈到激光输出场，实现高频相位噪声抑制。通过这种简单直接的方法，本研究展示了在几MHz频带范围内的噪声抑制性能，超出传统的PDH反馈方式四个数量级。

二、论文来源

这篇论文由清华大学低维量子物理国家重点实验室的Yu-Xin Chao、Zhen-Xing Hua、Xin-Hui Liang、Zong-Pei Yue、Li You和Meng Khoon Tey等人共同完成，并于2024年7月9日发表在Optica期刊上。值得注意的是，论文的研究和撰写过程中，第一作者Yu-Xin Chao和Zhen-Xing Hua做出了同等的贡献。

三、实验方法

1. 实验流程

在PDH技术中，传统的反馈设置包括: - 使用本地主振荡器（Local Oscillator, LO）和电光调制器（Electro-Optic Modulator, EOM1）进行相位调制，生成频率边带。 - 利用光学腔对远离共振频率的边带和近共振的载波进行不同的反射处理。 - 使用雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）检测反射边带和载波之间的拍频。 - 通过混频器和低通滤波器（Low-Pass Filter, LP）将激光与腔共振频率偏差转换为适合频率锁定的分散“误差信号”。

在传统的反馈控制中，这一误差信号会经过环路滤波器（PID滤波器），然后应用于激光器，以实现频率锁定。而在前馈控制方法中，本研究将残余PDH误差信号再次前馈到激光器。

2. 实验设计与实现

实验中，研究团队使用了1013 nm波段的外腔二极管激光器（External Cavity Diode Laser, ECDL），一种全宽半最大值线宽为14.5 kHz的超低膨胀腔（ULE腔），20米长的延时光纤以及两个自制的环路滤波器（PID和P滤波器）。通过实验，研究团队比较了经过EOM2传出的输出激光与通过腔过滤后的激光之间的异定拍频信号功率谱。结果显示，在一定频率范围内（在几百kHz到数MHz的范围），采用前馈信号进行抑制的相位噪声显著降低。

四、研究结果

1. 高频段相位噪声抑制

通过一系列实验，研究团队展示了PDH前馈方法显著的相位噪声抑制能力。在500 kHz以上的频段内，前馈处理后的相位噪声水平大大低于检测噪声，这一结果表明前馈方法在抑制高频段相位噪声方面表现卓越。

2. 噪声衰减性能

为验证前馈方法的有效性，研究团队人为引入了弱正弦相位调制信号，以不同调制频率（fin）进行实验。实验结果显示，在10 kHz至4 MHz的频率范围内，噪声抑制超过30 dB，最高可达43 dB。尽管在高频段存在一定衰减，但这一性能仍显著优于之前的前馈技术。

五、工作原理

前馈方法的理论基础在于，不同频率的残余PDH误差信号包含了激光相位噪声的全部频谱信息，因此可以利用恒定增益的环路滤波器将其前馈到激光器，以实现相位噪声补偿。通过在实验中固定前馈增益，使前馈信号与激光的干涉相消，从而达到抑制高频相位噪声的效果。

六、性能限制及改进方向

研究团队指出，延时光纤长度、环路增益与系统的稳定性等因素均会影响前馈性能。为获得更好的抑制效果，建议稳定光腔传输功率，使用更快的前馈电路减少延迟，避免使用过长的光纤等。此外，研究团队亦提出了一些潜在的改进方向，如通过进一步优化实验设置以提升高频段的噪声抑制能力。

七、结论

研究团队通过实验验证了使用PDH信号进行前馈，能够在更高频段实现激光相位噪声的有效抑制。综合反馈与前馈控制，PDH方法现已实现对从直流到十几MHz频段激光相位噪声的无可比拟的抑制。相比之前的前馈方案，PDH前馈方法不需要额外的同相或异相检测来探测相位噪声，对光路变化和强度噪声更具鲁棒性。此外，由于PDH前馈方案不受限于腔传输功率，可以选用窄线宽光腔来实现低频噪声的最优抑制。研究团队表示，这一新方法对于需要高功率输出并在数十MHz范围内具有低相位噪声的高稳定激光应用具有巨大潜力。